我们的宇宙由普通物质、暗物质和暗能量组成。自从20世纪末,天文学家发现宇宙在加速膨胀以来,“暗能量”的概念早已深入人心。暗能量存在的直接证据,依赖于对一类特殊超新星的观测研究。但如果这类研究的前提条件都是错的,那么暗能量还存在吗?宇宙是否和我们预期的不一样?现在,韩国延世大学的一项研究就对宇宙学的根基发起了挑战。
1992年4月的一天,加州大学伯克利分校的天体物理学家萨尔·佩尔穆特(Saul Perlmutter)带领团队,将一座位于西班牙拉帕尔马岛的天文望远镜对准了一片遥远的天区。在3周前的新月之夜,这座望远镜也曾指向同一片区域。佩尔穆特要做的,是从相隔3周的两幅观测图片中“找不同”。这一次,他们成功了——第二张图片上多出了一个像素点。进一步的分析确认,这个点正是他们寻找的目标:Ia型超新星。
所谓超新星,是在演化末期剧烈爆炸的恒星。对天文学家来说,Ia型超新星有着特殊的地位。这类超新星的形成,需要白矮星与巨星组成的双星系统:随着白矮星不断吸收巨星中的氢,最终它将不堪重负,内部引发热核聚变,释放的光芒在一瞬间照亮整个宇宙。有趣的是,所有Ia型超新星的质量都是一样的——达到1.44个太阳质量时,爆炸如期而至。正是因为质量相同,这些超新星爆发时的峰值亮度一致。
这样的特征,使得Ia型超新星承担起至关重要的使命:为天文学家寻找宇宙的运动规律。
不过,宇宙中的实际情况要比这更复杂。我们的宇宙不是静止的,自138亿年前的大爆炸后,它就在持续向外膨胀。换句话说,所有其他天体都在远离我们而去。类似于多普勒效应,对于正在远离我们的物体,我们看见的光线波长被拉长了,向波长更长的红光偏移。这个现象,就是红移。但是,天体远离我们的方式是怎样的?是加速,减速,还是保持不变?
Ia型超新星可以给出答案。它们的视亮度对应距离,红移则代表了远离我们的速度。如果我们能获取不同距离处Ia型超新星的亮度、红移数据,就可以绘制出宇宙的膨胀地图。
1998年初,佩尔穆特团队公开发表了他们的结论。几乎同一时间,他们的竞争对手,布莱恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)领导的团队也发表了相同的结论。
就这样,两支团队的结论相互映衬,为属于物理学的20世纪打出掷地有声的句号:我们的宇宙,正在加速膨胀。按照目前的认识,宇宙早期减速膨胀,并在约50亿年前开始加速膨胀。引力在尝试将天体拉进,但宇宙却在加速膨胀。这说明,一定有某种未知的力量推动着宇宙的膨胀。尽管没有人能确定这样的力量究竟是什么,但天文学家们还是定义出一个贴切的名称:暗能量(dark energy)。
但在2020年的第一周,暗能量大厦的根基却遭到动摇。这个充满勇气的结论,来自韩国延世大学领导的研究团队。使用智利的2.5米口径拉斯坎帕纳斯天文望远镜,以及位于美国亚利桑那州的6.5米口径多镜面望远镜,研究团队对约60个星系展开了为期9年的高质量光谱观测,观测的信噪比达到175:1。
最终,这些科学家在即将发表于《天体物理学杂志》的论文中,发表了令人惊讶的结论:这些超新星的绝对亮度与恒星群年龄有关,两者之间存在显著的相关性(年轻的超新星亮度较低)。该结论的置信度达到99.5%。
如果这个结论得到后续研究的证实,那么一场天体物理学革命势在必行。最直接的影响是,如果Ia型超新星继续被用作“标准烛光”,研究者需要根据超新星所处的恒星群年龄校正观测结果。更重要的问题是,此前根据Ia型超新星得出的结论,例如宇宙的加速膨胀,又该如何处理?显然,科学家需要重新审视这些结果。
在最新研究中,作者也验证了这种可能性:如果暗能量真的不存在,通过恒星亮度随年龄的演化,也可以模拟出类似的亮度-红移曲线。领导这项最新研究的Young-Wook Lee教授在接受采访时引用了卡尔·萨根的名言:“萨根说,‘非凡的结论需要非凡的证据’,但我不确定对于暗能量,非凡的证据是否存在。我们的结果说明,通过超新星宇宙学推测出的暗能量,或许只是基于错误前提的假象。
”但无论如何,这个结论还需要经过更多后续研究的检验。另外不要忘记,除了来自超新星的证据,暗能量还存在其他间接证据,例如前面提到的宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射告诉我们,普通物质与暗物质不足以填满宇宙的总能量,空缺的部分就属于神秘的暗能量。尽管近期的研究提出了不一样的解释,但同样,更多后续研究不可或缺。